量化控制在預防催化裂化裝置開工過程催化劑跑損中的應用

作者簡介：李超（1985-），高級工程師，從事煉油裝置生產技術管理工作，lic?gd@petrochina.com.cn。

引用本文：李超，樸俊浩，秦敬民，等.量化控制在預防催化裂化裝置開工過程催化劑跑損中的應用[J].化工機械，

2024，51（2）：317-322.

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202402023

摘 要 從量化控制角度出發，利用DCS的強大計算功能，對關鍵控制參數和非獨立變量進行計算與組態，并實際應用于開工過程控制，實現了催化裂化裝置關鍵控制變量的實時監控和量化操作，在控制催化劑跑損方面取得了良好的效果，提高了經濟效益。

關鍵詞 催化裂化裝置 量化控制 催化劑跑損 旋風分離器 SVQS 開工過程

中圖分類號 TQ052" "文獻標志碼 B" "文章編號 0254?6094（2024）02?0317?06

催化裂化裝置開工過程復雜，經常出現壓力波動而造成催化劑跑損現象，因此開工操作邊界和開工穩態的確定尤為重要。近年來，隨著新型提升管末端氣固快速分離系統的應用，給裝置的操作帶來了新挑戰，導致開停工期間催化劑跑損已成為困擾裝置安全運行的關鍵問題[1]。

催化裂化裝置開工過程中，影響兩器催化劑跑損的因素較多，控制變量復雜，傳統操作方法往往根據經驗判斷開工進程，例如噴燃燒油量、汽提段料位、旋風分離器線速等，這些變量嚴重依賴經驗會增大錯誤判斷的幾率，一旦出現誤判，輕則導致開工進度延后，重則導致催化劑嚴重跑損，甚至被迫停工。

筆者基于中控技術股份有限公司DCS的強大計算功能，對物料平衡、壓力平衡、熱平衡及其他非獨立變量進行計算和整合，并通過多種非獨立變量的實時計算量化開工時風險點的操作參數，進而指導優化生產，以實現不同開工穩態下關鍵控制變量的實時顯示、預警，確保裝置開工平穩受控，防止催化劑跑損現象的發生。

1 裝置簡介

中國石油廣東石化分公司年產360萬噸催化裂化裝置主要由反應再生部分、分餾部分、吸收穩定部分（含氣壓機部分）、主風機及煙氣能量回收部分、余熱回收部分、煙氣脫硝脫硫部分和產品精制部分組成。裝置加工的原料油為加氫蠟油與少量加氫裂化尾油的混合料，產品方案為多產高辛烷值汽油方案;提升管反應器設計采用常規催化裂化工藝;再生器設計采用快速床-湍流床主風串聯再生專利技術;煙氣脫硝采用SCR工藝技術。

裝置主要技術特點如下：

a. 采用提升管出口快速終止反應。提升管出口設置帶隔流筒預汽提旋流快分系統（Super?Vortex Quick Separator，SVQS），可實現油氣與催化劑的快速分離，SVQS升氣管與沉降器單級旋分器入口直連，以快速終止二次反應，減少反應油氣在沉降器的停留時間，從而減少二次反應和熱裂化反應的發生，同時減少油氣在沉降器因停留時間過長而產生的結焦。

b. 總燒焦強度高。裝置再生器采用快速床-湍流床主風串聯再生技術，第1段為快速床（燒焦罐）再生，燒焦罐的大藏量設計極大地改善了流化狀況和氣固體傳質條件，使其具有很高的燒焦強度，再生催化劑定碳能夠達到0.1wt%以下。

c. 合理的催化劑輸送系統。為確保裝置催化劑循環量調節自如，為大劑油比操作創造條件，在催化劑循環系統（尤其是再生線路系統）采取了一系列技術措施，主要體現在改進再生劑抽出口型式，使催化劑進入再生斜管/再生循環斜管前充分脫氣，提高了再生斜管的催化劑密度，從而提高了催化劑從再生器進入提升管反應器的輸送能力。

2 催化劑跑損的途徑及原因

在催化裂化裝置日常運行中，催化劑跑損主要有兩個途徑：一是再生器再生煙氣出口處，夾帶少量催化劑細粉的煙氣經三旋分離后從煙囪排出;二是沉降器油氣出口處，含有少量催化劑細粉的油氣進入分餾塔塔底的油漿中。反應沉降器和再生器中均設有旋風分離器，其回收總效率通常在99.993%～99.996%，僅有小部分催化劑小顆粒從旋風分離器升氣管隨煙氣或油氣一起帶出，由于這部分催化劑無法再次有效利用，故稱為“催化劑跑損”。開工過程中造成催化劑大量跑損的主要原因有[2]：

a. 再生器裝劑、噴燃燒油、封一級料腿等關鍵節點的銜接。一級旋風分離器料腿出口料封之前如果檢測不準，大量催化劑會通過料腿出口倒竄，而且由于催化劑升溫噴燃燒油與再生器旋風分離器煙氣線速的控制有密切關系，因此再生器裝劑和噴燃燒油的銜接對防跑劑起到關鍵作用。

b. 轉劑后沉降器旋風分離器線速的控制。無論采用何種形式的提升管出口快速分離設施，將沉降器單級旋風分離器入口線速控制在適當的區間是避免沉降器跑劑的關鍵。對本裝置而言，由于提升管出口快速分離設施采用的是SVQS形式，因此SVQS的料位控制是避免沉降器短時間大量跑劑的重點。

c. 開工平衡劑的性質是否滿足裝置的設計要求，尤其是影響兩器流化的催化劑堆比和篩分等物化性質，以及影響產品分布的活性和選擇性等裂化性能，采用更接近設計參數的開工劑可大幅縮短新裝置穩定時間，能夠使催化裂化裝置快速達到設計工況，提高經濟效益。

3 關鍵控制變量的量化計算及組態應用

催化裂化裝置開工過程中裝劑、轉劑等關鍵步驟重點監控的參數，如燒焦罐料位沒過燃燒油噴嘴的高度、一級料腿的埋入高度、SVQS平衡管距料面的高度及兩器關鍵部位的線速等，是開工不同穩態的關鍵控制點，也是影響催化劑大量跑損的關鍵控制參數。通過在DCS中組態計算，可實現對以上關鍵控制變量的實時監控和量化指導，最大程度地減少催化裂化裝置開工時跑劑的風險。

3.1 關鍵控制變量的計算

3.1.1 再生器料位及相對高度

開工過程中催化劑淹沒燃燒油噴嘴時催化劑藏量與密度的關系如下：

WI=h×S×Δp/（gh）+Δp/（gh）

式中 g——重力加速度，m/s2;

" h——燒焦罐下部高度，m;

" h——燒焦罐上部高度，m;

Δp——燒焦罐下部壓差，kPa;

Δp——燒焦罐上部壓差，kPa;

" "S——燒焦罐截面積，m2;

WI——燒焦罐藏量，t。

催化劑淹沒燃燒油噴嘴時藏量密度對應關系見表1。

3.1.2 再生器一、二級料腿操作區間

催化裂化裝置開工過程中再生器一級料腿的淹沒是控制催化劑跑損的關鍵。二級料腿翼閥設計工況是埋入再生器密相段中，為保證翼閥正常工作，需避免翼閥暴露在再生器稀密相床層界面上。表2是二再藏量、密度與料位高度的對應關系。圖1是催化劑淹沒一、二級料腿的操作區間。

3.1.3 旋風分離器入口線速的組態計算

再生器一、二級旋風分離器旋分入口線速計算式為：

V=[C×Q×p×（T+T）]/[（p+p）×T×3600×A]

式中 A——頂旋入口截面積，m2;

C——煙風比;

p——當地大氣壓，MPa;

p——再生器壓力，MPa;

p——標準條件下的壓力，MPa;

Q——主風總量，Nm3/min;

T——標準溫度，T=273.15 K;

T——再生溫度，K;

V——再生器旋分線速度，m/s。

沉降器單級旋風分離器入口線速是控制沉降器催化劑跑損的關鍵控制參數，包括開工過程中噴油前、噴汽油、噴原料油時的旋分線速實時數據，在DCS中對以上3個階段旋分線速進行量化計算，可以保證開工時單級旋風分離器入口線速在合理區間。其中，頂旋入口線速計算式如下：

V′=[R×（T+T）]/[（p+p）×3600×At]×m

m=W/M+I×W/M-I×W/M+（W-W-W-W）×

（1-CWF）/M+W/M+W/M+W/M=W/M

式中 CWF——進料的餾分焦炭重量;

" "I——再生催化劑中惰性物質的量;

" "I——待生催化劑中惰性物質的量;

" "m——頂旋入口介質摩爾流量;

" M——蒸汽分子量;

" M——惰性物質分子量;

" M——新鮮進料分子量;

" M——回煉油分子量;

" M——石腦油分子量;

" M——回煉油漿分子量;

" M——氣體分子量;

" "R——理想氣體常數，R=8.314;

" " W——進入提升管的蒸汽量，t/h;

" " W——再生催化劑循環量，t/h;

" " W——新鮮進料量，t/h;

" " W——回煉油流量，t/h;

" " W——待生催化劑循環量，t/h;

" " W——石腦油流量，t/h;

" " W——回煉油漿流量，t/h;

" " W——提升氣流量，t/h。

3.2 SVQS料位計算與控制要點

根據SVQS的運行特點，旋流快分的分離效率與提升管線速有密切關系，氣速太低或者太高，都將影響SVQS的分離效率，造成跑劑。這是因為氣體離開快分頭噴出口后，首先是向下的返混流動，然后又轉為向上流動，隨著提升管線速的提高，氣體向下返混的速度也隨之增加，這樣就對剛離開快分頭噴出口的催化劑起到了向上的揚析作用，增加了催化劑顆粒的向上夾帶，導致分離效率降低。從實際效果看，分離效率降低的幅度并不大，當提升管線速在8～21 m/s變化時，快分頭的氣固分離效率一直保持在98.5%以上。氣速在開工的不同階段由不同的介質提供，其中轉劑過程主要由蒸汽量控制，噴油后主要由油氣量和蒸汽量共同控制。

正常運行過程中，沉降器料位要高于SVQS封閉罩的下沿才能發揮SVQS的直連作用，這就要求沉降器中催化劑的料位既要高于封閉罩下沿，又要距離平衡管入口有一定的安全高度，同時為保證汽提段的汽提效果，料位需在第1層人字擋板上方。為避免料位過高造成催化劑從SVQS平衡管入口大量跑損，需要將料位控制在平衡管入口下方3.5 m范圍內。由此推算出，正常生產時料位高度在48.0（第1層人字擋板標高）～51.5 m（平衡管入口下方3.5 m處高度）之間。表3是沉降器汽提段不同靜壓差、料位百分比、密度下的料位高度，該變量是決定汽提段效率及SVQS催化劑跑損的關鍵參數。圖2為沉降器料位控制圖（取提升管底部為0 m），可以看出，不同汽提段密度下沉降器料位的控制區間有所區別。

3.3 量化開工各階段的控制參數

催化裂化裝置開工過程中，反應-再生系統控制參數多，互相影響制約的因素多，控制過程中往往容易顧此失彼，忽略了某些關鍵參數的控制，這將導致兩器跑劑等意外情況的發生。因此，在開工前再生器裝劑、轉催化劑、噴油過程、主風機備機及主機切換等工況下，需要建立反應和再生器各部分線速與溫度、壓力的對應關系表，用于指導操作。有預見性地提前建立下一開工階段的穩態參數，通過線速的量化計算和控制參數的優化，通過調節最少的操作參數實現線速等變量的控制目標，兼顧所有控制參數，每個系統重點調節3～5個關鍵參數，使兩器旋風分離器入口線速控制在高效工況范圍內，從而有效減少開工過程的催化劑跑損。

4 開工過程中的防跑劑控制

4.1 再生器旋分器入口線速控制

加劑過程中最大限度地提高了燒焦罐溫度，并將爐膛溫度控制在700 ℃左右，輔助燃燒室出口溫度控制在650 ℃左右，燒焦罐溫度加劑前控制在570 ℃以上，加劑中控制在320 ℃以上，結合再生器壓力和溫度，將再生器主風量控制在合適范圍內，從而保持再生器旋風分離器一、二級入口線速在16～27 m/s范圍內，且大部分時間在20～23 m/s的高效分離工況范圍，實現再生器催化劑跑損的有效控制。

4.2 沉降器催化劑跑損控制

催化裂化裝置開工時催化劑從再生器轉劑到反應器后需要建立兩器流化循環，提升管開始升溫，隨著反應溫度的上升，轉劑后40 min左右沉降器頂旋入口線速提高至16 m/s以上。從圖3可以看出，初始時刻，頂旋線速在較低范圍內，油漿固體含量呈上升趨勢，當頂旋線速穩定在高效工況（16 m/s以上）時，油漿固體含量可控制在較低范圍內。

為減少開工期間催化劑跑損，具體做法如下：

a. 轉劑前，確保所有壓力檢測點反吹閥門打開，儀表反吹點及蒸汽管線暢通;在再生器操作平穩的前提下，適當降低反應壓力，并通過提升管和沉降器通入大量蒸汽使頂旋處為高線速工況，提高頂旋入口線速至11 m/s;通過高壓蒸汽管線并入中壓蒸汽管線，提高中壓蒸汽溫度，減小提升管溫差。

b. 噴油后，快速降低原料霧化汽至設計工況，避免線速過高造成催化劑破碎，導致催化劑跑損。加強對壓降、線速的監控，根據提升管噴油量的變化，及時調整提升管、沉降器的蒸汽注入量，確保旋分器壓降、線速在正常范圍內。

c. 根據SVQS料位計算數據，控制沉降器低料位操作，其值不超過60%，始終保證汽提段料位距平衡管入口的距離大于3.5 m，防止料位過高造成平衡管倒吸跑劑。

d. 通過DCS計算組態，實現對提升管出口線速、頂旋入口線速、料面距封閉罩下沿高度、平衡管入口距料面高度及藏量料位等參數的實時監控。

e. 轉劑開始后重點監控油漿固體含量。每隔1 h對油漿采樣一次，外觀檢查油漿有無異常，及時分析油漿固含量，關注油漿泵電流變化。

4.3 催化裂化裝置的穩定操作

防跑劑控制策略實施后，裝置開工過程平穩順利，沒有出現催化劑跑劑現象。表4為裝置設計值與實際運行平均值的對比，可以看出，實際值均接近設計值，且偏差均在允許范圍內，滿足控制要求。

5 結束語

通過對催化裂化裝置開工各階段關鍵控制變量的計算與組態，可以使關鍵控制參數直觀呈現，實現實時監控，并有計劃性地提前調整，把握關鍵控制點，有條不紊地推進開工進程，大幅縮短新裝置穩定時間，同時能夠使催化裂化裝置快速達到設計工況，提高經濟效益。總結本次量化控制應用經驗，重點關注以下幾點：

a. 量化和控制兩器旋風分離器的入口線速是防止催化劑跑損的關鍵。結合不同階段參數計算，通過調整關鍵參數，使旋風分離器線速始終保持在高效工況范圍內，這是防止催化劑跑損的重中之重。

b. 對于使用SVQS直連快分的裝置，汽提段料位的量化控制是防止沉降器催化劑跑損的關鍵。由于SVQS平衡管的負壓導氣作用，若沉降器料位控制過高或料位波動過大，都將會造成催化劑瞬間大量跑損。

c. 在兩器控制參數核算的基礎上，對各個階段控制參數反復推敲，選擇簡潔高效的控制方案，使開工各階段平穩有序銜接，穩步推進，縮短不穩定工況的運行時間，有效減少催化劑跑損。將提升管出口線速、沉降器頂旋入口線速、料面距封閉罩下沿高度、平衡管入口距料面高度及藏量料位等參數在DCS中進行組態，對關鍵運行參數實時監控。同時，在轉劑開始后，加強監測油漿固體含量變化，及時掌握催化劑跑損情況，進而有針對性的調整優化控制變量。

d. 選擇與目標裝置更匹配的優質開工劑，配合催化裂化裝置開工過程中各項參數的量化控制，保障新裝置高效穩定開工以及開工后操作參數和產品分布快速達到設計目標，提高經濟效益。

參 考 文 獻

[1] 于立勇.催化裂化開工過程中旋流式快速分離系統跑劑的對策分析[J].石油技師，2015（1）：237-239.

[2] 曹占友，盧春喜，時銘顯.催化裂化提升管出口旋流式快速分離系統[J].煉油設計，1999，29（3）：14-18.

（收稿日期：2023-04-23，修回日期：2024-03-12）